Aplicació de la tecnologia MIM d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques de titani en productes mèdics
Jan 03, 2023
Aplicació de la tecnologia d'emmotllament per injecció de pols metàl·lic MIM en productes mèdics
Fórceps quirúrgics mínimament invasius
La Xina és un país amb una gran població, i el fenomen d'envelliment és cada cop més greu. A més, la recerca passada del desenvolupament econòmic ha causat danys excessius al medi ambient, fet que fa que els problemes de salut de les persones s'enfrontin a grans reptes i estimulin la demanda de productes mèdics a tota la societat.
Com millorar la qualitat i reduir el cost dels productes mèdics ha estat un tema de recerca per als estudiosos nacionals i estrangers. La demanda de productes mèdics és gran i l'estructura de molts productes també és molt sofisticada, de manera que es necessita una nova tecnologia de fabricació per substituir la producció tradicional.
Emmotllament per injecció de metall(MIM) és una nova tecnologia de conformació propera a la xarxa, que pot produir productes amb formes complexes en lots en un curt període de temps. Pot complir els requisits de fabricació de productes mèdics i esdevenir un mètode de fabricació ideal.
1 tecnologia MIM
1.1 Procés tecnològic de la tecnologia MIM
MIM és un procés de formació gairebé net desenvolupat ràpidament al segle XX. El procés general és: pols més aglutinant → mescla → emmotllament per injecció → desgreixatge → sinterització.
En primer lloc, el polímer i la pols es barregen per produir l'alimentació amb prou fluïdesa, barreja uniforme i complint els requisits d'injecció en determinades condicions. En segon lloc, es seleccionen la temperatura d'injecció, la pressió d'injecció, la velocitat d'injecció i altres paràmetres de procés adequats per a l'emmotllament per injecció. A continuació, s'elimina l'aglutinant del blanc d'injecció i es sinteritza per formar una unió metal·lúrgica de la pols. Finalment, s'obtenen les peces qualificades.
1.2 Característiques de la tecnologia MIM
MIM és una nova tecnologia de conformació propera a la xarxa per a peces, que combina tecnologia de conformació de plàstic, química de polímers, tecnologia de metal·lúrgia de pols, materials metàl·lics i altres disciplines. Té les següents característiques:
① Les peces formades mitjançant la tecnologia MIM no requereixen un processament de seguiment o hi ha poc processament de seguiment. Amb una alta taxa d'utilització del material, pertanyen a la tecnologia de conformació gairebé neta i poden produir peces de forma complexa i d'alt rendiment.
② El procés d'ompliment de l'alimentació i la sinterització dels productes es pot simular per ordinador, i el procés es pot optimitzar en la fase inicial [1-2] per obtenir el millor esquema de disseny.
③ Durant el procés d'injecció, la pressió de cada punt de la cavitat és igual i la densitat és igual a tot arreu sota la premissa de la barreja uniforme de l'alimentació, de manera que no hi haurà gradient de densitat, cosa que és fàcil d'aconseguir una producció a gran escala. .
2 Aplicació de la tecnologia MIM en productes mèdics
2.1 Productes mèdics fabricats amb tecnologia MIM
Els productes mèdics generalment requereixen una bona usabilitat i una vida útil prou llarga, i un disseny flexible en el disseny de l'estructura i la forma [3].
A principis de la dècada de 1980, la tecnologia MIM es va aplicar per primera vegada en productes mèdics i s'ha convertit en l'àrea de més ràpid creixement del mercat MIM.
La figura 1 mostra la proporció de tecnologia MIM en diferents indústries a Amèrica del Nord el 2015 [4]. Es pot veure que el tractament mèdic i l'odontologia s'han convertit en els principals camps d'aplicació del MIM a Amèrica del Nord.
Actualment, la majoria dels productes mèdics MIM estan fets d'acer inoxidable, les marques principals són 316L i 17-4PH; També hi ha aliatges de titani, aliatges de magnesi, or, plata, tàntal, etc. [5].
2.1.1 Bracket d'ortodòncia
| Brackets d'ortodòncia produïts per Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnologia MIM es va utilitzar per primera vegada en tractaments mèdics per fabricar alguns aparells ortopèdics dentals. Aquests productes de precisió són de mida molt petita i tenen una bona biocompatibilitat i resistència a la corrosió. El material principal utilitzat és l'acer inoxidable 316L. Els brackets d'ortodòncia segueixen sent els principals productes de la indústria MIM.
Forestadent, una empresa alemanya, ha produït un bracket d'ortodòncia amb ganxo bidireccional amb tecnologia MIM. La força de retenció mecànica es pot augmentar en un 30 per cent. El poliment després de la formació única amb MIM pot reduir considerablement la fricció entre el suport i el cable de l'arc. BjornLudwig ha confirmat que aquest producte té un paper positiu en la cirurgia ortodòncia [6].
2.1.2 Eines quirúrgiques
| Eines quirúrgiques produïdes per Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Les eines quirúrgiques són necessàries per tenir una alta resistència, baixa contaminació de la sang i poder aconseguir procediments de desinfecció agressius. La flexibilitat de disseny de la tecnologia MIM pot satisfer l'aplicació de la majoria d'eines quirúrgiques. Al mateix temps, també té els avantatges de la tecnologia. Pot fabricar diversos productes metàl·lics a baix cost. A poc a poc està substituint la tecnologia de producció tradicional com a principal mètode de fabricació.
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ha desenvolupat una mena d'arpa d'acer inoxidable [7] utilitzant la tecnologia MIM, que està feta d'acer inoxidable 17-4PH i té una densitat de més de 7,5 g/cm3. Es pot utilitzar per agafar objectes del cos humà durant la cirurgia i té la funció de pinces. El seu disseny és força complex i requereix una gran precisió de producció.
La sinterització després de la formació amb tecnologia MIM pot assolir un alt nivell de tolerància i no requereix un gran nombre de processos de tractament posteriors per evitar danyar la forma lineal i geomètrica de l'arpa.
És difícil produir aquest tipus d'arpa d'acer inoxidable amb forma complexa mitjançant fosa o mecanitzat, que requereix un cicle de producció llarg i un cost elevat. L'ús de la tecnologia MIM per fabricar-lo pot estalviar un 60 per cent del cost.
Les eines quirúrgiques d'un sol ús han de desenvolupar un procés que es pugui produir en massa a baix cost. Smith Metal Products Co., Ltd. utilitza la tecnologia MIM per produir un conjunt d'eix [8], que s'utilitza en un nou tipus d'instruments quirúrgics d'un sol ús. El cost és només d'1/4 a 1/5 del d'una màquina-eina CNC suïssa, la densitat és de 7,5 g/cm3, la resistència a la tracció màxima arriba a 1190MPa, el límit elàstic 1090MPa, l'allargament és de 6,0 per cent i la duresa màxima és de 33 HRC.
El procés de fabricació d'aquest producte és el següent: en primer lloc, es formen dues peces d'eix de 178 mm de llarg amb tecnologia MIM, després dues parts es solden amb làser i després es realitzen el mecanitzat i el tractament tèrmic posterior. Per tal de complir els requisits de bona tolerància, també es requereix granallat i passivació.
2.1.3 Parts d'implant de genoll
| Peces d'implants d'os de genoll produïdes per Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
El progrés de la tecnologia MIM en el camp de la implantació humana és relativament lent, principalment perquè la certificació i acceptació dels productes necessiten un llarg període.
Actualment, la tecnologia MIM es pot utilitzar per produir peces que substitueixen parcialment ossos i articulacions, i els materials metàl·lics utilitzats són principalment aliatges de Ti [9].
Pel que fa a la biocompatibilitat, Chen Liangjian et al. [10] va preparar titani porós amb una porositat del 60 per cent utilitzant la tecnologia MIM, i va preparar microesferes d'alliberament sostingut de gelatina mitjançant un mètode de reticulació de polimerització per condensació millorada i les va revestir a la superfície del titani porós.
Els resultats van mostrar que les microesferes de gelatina d'alliberament sostingut recobertes de titani porós no tenien citotoxicitat i es podrien utilitzar com a bon material per a implants mèdics.
Canadian MaettaSciences Inc ha utilitzat amb èxit Ti-6Al{-4V per produir peces de mostres de genoll per a implants humans [11]. L'implant suporta principalment pressió després d'entrar al cos humà i té una bona biocompatibilitat. Després de la formació de MIM, es realitza un premsat isostàtic en calent, seguit de granallat, polit i anoditzat per obtenir un millor rendiment de la superfície, reduir la fricció amb el cos humà i millorar la compatibilitat i la vida útil.
2.1.4 Tub de so de l'audiòfon
| Peces de carcassa d'audiòfon produïdes per Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Tub d'audiòfon produït per Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnologia MIM també es pot utilitzar per produir peces de diversos dispositius mèdics.
Indo MIM Company utilitza la tecnologia MIM per produir un tub de so per a audiòfons per a Phonak Company a Alemanya [12], que té l'efecte de millorar la freqüència del so i afavorir l'audició.
Aquest tipus de tub sonor d'audiòfon de forma complexa es pot obtenir mitjançant la sinterització després de la formació de MIM. Per tal que la superfície del tub de so sigui suau, només cal passar per un procés de granalla de sorra de perles de vidre més tard.
La densitat del tub acústic és superior a 7,65 g/cm3, la resistència a la tracció màxima pot arribar als 480 MPa, la resistència a la fluència 150 MPa, l'allargament del 45 per cent i la duresa superficial màxima de 100 HRB. La tecnologia MIM pot reduir el cost en un 20 per cent en comparació amb el procés de producció tradicional anterior.
La tecnologia MIM també es pot utilitzar per produir molts productes en l'àmbit mèdic, com ara stent de teràpia intervencionista, blindatge de radiació de xeringa d'aliatge d'alta densitat de tungstè, manipulador de microcirurgia, peces d'endoscopi de microbomba i inhalador de fàrmacs [13].
2.2 Nova tecnologia MIM aplicada als productes mèdics
2.2.1 Microemmotllament per injecció de metall
L'emmotllament per injecció de metall micro, μ MIM) és una tecnologia de conformació desenvolupada per l'Institut de Recerca IFAM a Alemanya, que consisteix a aplicar orgànicament la tecnologia MIM a la preparació de peces amb dimensions fins a nivell micròmetre.
En general, μ MIM es pot utilitzar per produir dos tipus de productes:
① Parts amb una mida de micròmetre i una massa de diversos mil·ligrams;
② La mida d'aspecte de la peça és similar a la mida de la peça d'emmotllament per injecció tradicional, però la mida de l'estructura local és fins al nivell del micròmetre.
En els últims anys, l'emmotllament per microinjecció s'ha convertit en un punt d'investigació en el camp de l'emmotllament per injecció. Amb el desenvolupament de la maquinària moderna cap a la miniaturització, l'aplicació de microemmotllament per injecció serà cada cop més extensa [14].
Actualment, el Karlsruha Research Center té la tecnologia μ MIM aplicada amb èxit a la producció de microparts de dispositius mèdics [15], com ara espectròmetre, placa de valoració, etc. La mida de l'estructura del producte ha assolit el nivell de micres i el el gruix mínim de la paret és de 50 μ m.
La figura 2 mostra l'ús d'IFAM a Alemanya μ L'àncora de sutura [16] produïda per la tecnologia MIM per a l'operació quirúrgica només té la mida del capçal del partit.
2.2.2 Co-emmotllament per injecció de metall
L'emmotllament per injecció de metall (Co MIM), originat a la dècada de 1990, és una tecnologia d'emmotllament per injecció de pols tipus sandvitx.
Aquest procés consisteix a injectar simultàniament o per lots dos materials amb característiques diferents en un motlle per a un modelat per injecció de compost. Pot combinar materials metàl·lics i un material amb propietats completament diferents en una mateixa peça.
Amb aquest mètode es pot obtenir l'estructura nucli/closca amb funcionalitat i forma complexa, i no calen processos posteriors com ara el recobriment, el tractament tèrmic i el muntatge de productes. Finalment, es pot realitzar un procés per preparar materials de gradient funcional, la qual cosa redueix molt el procés i redueix el cost.
La tecnologia Co MIM proporciona una nova idea per al desenvolupament i disseny de peces funcionals. Li Yimin et al. [17] han proposat una nova estructura d'implant biològic utilitzant la tecnologia Co MIM, que s'utilitza àmpliament en estructures òssies corticals denses i estructures òssies esponjoses amb porus exteriors i porus interns.
Aquesta estructura és favorable a la transmissió d'estrès d'interfície entre l'os de l'implant i l'estructura òssia circumdant. Hi ha moltes capes exteriors, la proporció de volum de porositat de l'estructura del porus és del 5% ~ 60% i el porus més gran és de 400 μ m.
3 Perspectiva
Segons la recent investigació de mercat de BCCresearch sobre emmotllament per injecció de metall i ceràmica, el valor de mercat global de peces modelades per injecció de metall i ceràmica augmentarà de 2.500 milions de dòlars el 2022 a gairebé 3.900 milions de dòlars el 2028, amb una taxa de creixement anual mitjana de l'11,4 per cent.
Al mateix temps, amb la disminució de les vendes d'automòbils, la tecnologia MIM entrarà més en els camps mèdic, aeroespacial, electrònic i altres.
A la nova versió del full de ruta europeu de la indústria de la pols metal·lúrgia, l'Associació Europea de Pols metal·lúrgica va assenyalar que el mercat mèdic és una part extremadament important de la indústria de l'emmotllament per injecció [18].
Amb l'expansió contínua del mercat, l'aplicació de la tecnologia MIM en l'àmbit mèdic serà cada cop més profunda, i també es desenvoluparan constantment diversos nous materials i processos basats en la tecnologia MIM.
Cap de bisturí d'ultrasons
Qinhuangdao Zhongwei Precisió Maquinària Co., Ltd.és ara un fabricant potent amb una gran experiència en la producció de diversos tipus de productes MIM de dispositius mèdics. En el futur, també dedicarà més esforços als productes de precisió d'emmotllament per injecció de pols metàl·liques a la indústria de dispositius mèdics.
Paraules clau: emmotllament per injecció de pols de metall; Productes mèdics; Microemmotllament per injecció de metall; Emmotllament per injecció de metalls; Instruments quirúrgics;
